Характеристики нержавеющих сталей в концентрированной серной кислоте

Характеристики нержавеющих сталей в концентрированной серной кислоте
Серная кислота - одно из наиболее часто используемых химических веществ в мире, и в концентрацияхболее 90 мас.%, он также очень коррозионный. В этой статье обсуждается выбор материалов дляработа с концентрированной серной кислотой, особенно при повышенных температурах (до 200 ° C)которые возникают при его изготовлении. Некоторые из современных аустенитных и дуплексных нержавеющих сталейрассмотрены и обсуждаются их ограничения и преимущества.
Роджер Фрэнсис, RR® Материалы, Великобритания

ВведениеСерная кислота - это химическое вещество, которое используется во многих промышленныхпроцессов, а также при выщелачивании многих металлов из ихруды. Производится из диоксида серы, который может бытьобразуется при сжигании серы, это может быть побочным продуктомметаллургический процесс плавки, или он может производиться термическимразложение (регенерация) отработанной кислоты. Диоксид серыреагирует с кислородом над катализатором при температуре от ~ 420 ° до 625 ° C с образованиемтриоксид серы. Последний газ затем вступает в реакцию с водой впоглотительные башни с образованием серной кислоты. Этот процессэкзотермический, и кислота может достигать температуры 180 °до 200 ° С. Большая часть этой энергии восстанавливается различными способами.минимизировать потребление энергии. Обычно кислоту затем охлаждают.от 100 ° C до температуры окружающей среды при хранении.


МатериалыТрадиционно для изготовления изделий использовались такие материалы, как сталь, облицованная кислым кирпичом.сосуды и ковкий чугун, например Mondi® или низколегированный аустенитныйнержавеющая сталь, такая как 316, для трубопроводов, в пределах ограниченногодиапазон температуры и концентрации кислоты. Однакоразработка современных высоколегированных нержавеющих сталей с улучшеннымиустойчивость к горячей концентрированной кислоте изменила материалыварианты выбора. В таблице 1 представлен состав некоторыхнержавеющие стали, которые используются с серной кислотой. 304 и 316 являютсяобычные аустенитные марки, которые широко используютсяхимическая и перерабатывающая промышленность. Сплав 310 - это высокохромистый,никелевый аустенитный сплав с превосходной стойкостью к кислотной коррозиипо сравнению с 304 и 316. ZERON®100 и 2507 сотоксупердуплексные нержавеющие стали с приблизительным соотношением 50/50фазовый баланс аустенит / феррит. Эта структура дает гораздо более высокуюпрочность (~ 2½ раза), чем у аустенитных сплавов, и предлагаетвозможность экономии толщины стенки для приложений, включающихвысокое давление и / или температура.Сарамет®, Sandvik SX® и ZeCor® все проприетарные аустенитныенержавеющие стали с содержанием кремния ~ 5%, что улучшаеткоррозионная стойкость в горячей сильной кислоте. Сарамет состоит из двухварианты, с немного другим составом. ZeCor более компактныйхрома и никеля, чем два других запатентованных сплава, но этосодержит больше кремния, элемента, способствующего коррозиистойкость к горячей сильной кислоте.

КоррозияНа рисунке 1 показаны кривые изокоррозии для некоторых распространенных сплавов.в серной кислоте. Видно, что сверхдуплексные сплавы имеютпревосходит 316L. ZERON 100 также превосходит 2507, которыйпредположительно из-за преднамеренного добавления вольфрама имеди до ZERON 100. Сплав 20 обычно используется в серныхкислота и примерно от 50% до 90% кислоты превосходит ЗЕРОН100. Однако в сильной кислоте (GG gt; 90%) ZERON 100 показываетзаметное повышение коррозионной стойкости по сравнению с 2507 исплав 20.

На рис.2 сравниваются кривые изокоррозии для трехзапатентованные сплавы, содержащие кремний и ZERON 100. Естьявные различия между сплавами, с кремнийсодержащимисплавы, демонстрирующие улучшенную коррозионную стойкость в более разбавленной кислоте.При исследовании этой статьи автор не смог найти ни одногоопубликованные данные для нержавеющей стали 310 по этой концентрации кислотыассортимент. Вероятно, это связано с тем, что производители кислотных заводоврассматривать это как коммерчески конфиденциальные данные. Однако известночто коррозионная стойкость нержавеющей стали 310 заметно снижаетсякогда концентрация кислоты падает ниже 96%.На рисунке 3 показаны кривые изокоррозии для 304, 310 иСарамет 23 в очень сильной кислоте1,2. Видно, что естьповышение коррозионной стойкости как 310, так и Сарамета вдиапазон температур от 180º до 200ºC. Предполагается, что SX иZeCor демонстрирует аналогичное поведение. Это означает, что эти сплавы могутиспользоваться в высокотемпературных частях кислотных заводов. Там естьнет данных для ZERON 100 во всем диапазоне температурРисунок 3, и неизвестно, являются ли сверхдуплексные нержавеющие стали такжепоказать эту функцию.

На рис. 4 показана скорость коррозии некоторых нержавеющих сталей всильная серная кислота при 110 ° C от производителейопубликованные данные. Видно, что коррозионная стойкостьСарамет 23 уменьшается с увеличением концентрации кислоты в отличие отдругие сплавы. При концентрации кислоты более 100% тамизбыток триоксида серы, и смесь тогда известна каколеум. Известно, что он более агрессивен по отношению к таким сплавам, как Сарамет.чем ЗЕРОН 100 и сплав 310.Хотя общедоступных данных по нержавеющей стали 310 вочень сильная кислота, есть единичные данные. В кислотеконцентрация 99% и температура 110ºC, коррозияскорость 310 составила 0,1 мм / год1. Это показывает повышенное сопротивлениеZERON 100 превосходит 310 нержавеющих при этой температуре (Рисунок 4).ZERON 100 также имеет коррозионную стойкость, аналогичную ZeCor иSandvik SX в более сильной кислоте,> 97 мас.%.На промышленных предприятиях по производству кислоты обычно присутствует небольшое количество железа.присутствует (обычно 5ppm), и это может повлиять на скорость коррозиинекоторые сплавы.

На рисунке 5 показано влияние 5 ppm железа наскорость коррозии ZERON 100 при 110 ° C. Видно, что внутриошибка эксперимента, не было значительного влияния железа накоррозия. При 200 ° C (Рисунок 6) в 98,5% кислоте железо вызвало небольшойувеличение скорости коррозии, но ничего инженерногозначимость.

Влияние скоростиПоскольку нержавеющие стали часто активны (в отличие от пассивных)в горячей концентрированной серной кислоте скорость коррозиифункция скорости. Обычно рекомендуется, чтобы сплавынапример, 316 и 310 должны быть ограничены максимальной скоростью потока1,5 м / сек2. Испытания на скорость проводились в аэрированном 95% серном газе.кислоты при 70 ° C с использованием вращающихся цилиндрических образцов. Используя анализСильвермана3 вращательный поток был рассчитан как эквивалентныйдо 2,5 м / сек в трубе NPS 4. Скорость коррозии ZERON 100был высоким в течение первых двух-трех дней. После этого коррозияскорость была менее 0,1 мм / год. Высокая начальная скорость коррозиибыло связано с образованием тонкой черной пленки наметаллическая поверхность. Пленка придает коррозионную стойкость какпроявляется в последующем низком уровне потерь металла. Эти результаты показываютчто ZERON 100 можно использовать при более высоких температурах искорости, чем 316L в сильной серной кислоте. Испытания в более сильномкислота показала еще более низкие скорости коррозии.Добавки кремния снижают чувствительность к скоростинержавеющие стали к коррозии в горячей сильной серной кислоте. Sandvikсообщают о чрезвычайно низкой скорости коррозии (GG lt; 0,01 мм / год) для SX в 96%кислоты при 70 ° C и 25 м / сек в технических характеристиках сплава. Они получилианалогичная скорость коррозии в 98,5% кислоте при 115 ° C и потоке 10 м / сскорость. Сарамет 35 показал аналогичные очень низкие скорости коррозии в98,5% кислоты при 120 ° C и скорости 9 и 25 м / с4. Хотя естьданные для ZeCor при высоких скоростях отсутствуют, предполагается, чтоон также превосходит марки 304 и 316.

ПриложенияДанные на Рисунке 3 показывают, что сплав 310 может быть очень подходящим длясекции рекуперации тепла при условии, что концентрация кислотыработает на 98% или выше. Однако на некоторых заводах экскурсии внизкие концентрации кислоты распространены, а затемкремнийсодержащие сплавы более надежны в пределах их области применения.Все три кремнийсодержащих сплава использовались для изготовления башен,резервуары, трубы, фитинги, фильтры, лотковые распределители, теплотеплообменники и туманоуловители при соблюдении условийслишком обременительный для 3105,6. Сплав 310 по-прежнему широко используется в сильной кислоте,особенно там, где может производиться олеум. В теплообменниках,Трубы 316L (часто с Mo ≥ 2,5%) часто используются с аноднымизащита, чтобы держать их в пассивном состоянии.Приведенные выше данные ясно показывают хорошую коррозионную стойкостьZERON 100 в концентрированной серной кислоте при температурах до200 ° С. Это может быть особенно эффективно при высоких температурах.участок регенерации сернокислотных заводов. Фосфаты PCS вСША выставили катушку ZERON 100 NPS1 на 18 месяцев вконцентрированная кислота при 200 ° C. Скорость коррозии составила< 0,2="" мм="">PCS также установила фильтр ZERON 100 перед серным фильтром.кислотный насос, работающий при высоких температурах (~ 200 ° C). После 18месяцев эксплуатации фильтр был в отличном состоянии. Это былсущественное улучшение по сравнению с используемым фильтром из нержавеющей стали 310ранее.ZERON 100 также использовался одним из основных серныхкомпании по проектированию кислотных заводов для диафрагм (Рисунок 7).

Этииспользуется для управления потоком в таких приложениях, как лотковые распределители.При этом используется хорошая стойкость ZERON к эрозии и коррозии.100. ZERON 100 также доступен как теплообменник со сварным швом.трубки. Это делает его идеально подходящим для охладителей кислоты, гдеохлаждающая вода солоноватая или морская, так как ZERON 100 имеетдоказанная история превосходной устойчивости к этой среде7.

ДоступностьИспользование этих сплавов для новых проектов, как правило, не проблема.поскольку обычно требуется количество прогона стана. Однако для позднего добавленияремонт или модификация установки, меньшие количества обычнообязательный. Запатентованные кремнийсодержащие сплавы не принадлежатакционеры нержавеющей стали в значительных количествах для такихПриложения. Крупные OEM-производители имеют ограниченные запасы некоторыхформы продуктов для поддержки своих клиентов. Сплав 310 широкодоступны как пластины, но не так легко доступны как трубы, фитингии фланцы.
ZERON 100 - этотаким образом полезныйсплав для приложений, где важна быстрая доставка или небольшаяколичества необходимы.ZERON 100 полностью сваривается всеми обычными способами дуговой сварки.технологии и широкое применение сплава в нефтегазовой промышленностиозначает, что есть много квалифицированных производителей. Сплав 310 - этопригодны для сварки при достаточно низком содержании углерода; 0,04% - эторазумный максимум. Это должно быть специально указано как UNSS31000 имеет максимальное содержание углерода 0,08% и низкое содержание углерода.версия (UNS S31002) недоступна. Высокий кремнийаустенитные сплавы также относительно легко изготовить, и все онис содержанием углерода не более 0,03% для предотвращения образования карбидовпо сварке.

Выводы
1. Сплав 310 обладает хорошей стойкостью к концентрированной серной кислоте.при повышенных температурах, но не такой стойкий, как кислотаконцентрация снижается с 98%. Сплав нелегкодоступны в форме, отличной от пластины.
2. Аустенитные нержавеющие стали с высоким содержанием кремния обладают хорошей коррозионной стойкостью.стойкость в горячей концентрированной серной кислоте и лучшечем 310 в более слабой кислоте. Кремний придает этим сплавам хорошиестойкость к серной кислоте при высоких скоростях потока. Эти сплавыменее устойчивы к олеуму по сравнению со сплавом 310.
3. ZERON 100 обладает стойкостью к горячим концентрированнымсерная кислота, промежуточная между сплавом 310 иаустенитные сплавы с высоким содержанием кремния. Его доступность в широкомассортимент форм продукции делает ее подходящей как для нового заводаи обновления.

Ссылки
1. CM Schillmoller, Технический отчет Института никеля № 10 057.
2. Д. К. Луи, Справочник по производству серной кислоты, 2-еИздание 2008 г., издано DKL Engineering.
3. Сильверман Д. Г. Коррозия 44, 1 (1988) 42.
4. Кларк С., «Сплавы Сарамет - применение в требовательныхПрименение серной кислоты », Конвенция Айше, Флорида, США,Июнь 2003 г.
5. «Сарамет Аустентик Нержавеющая сталь», Aker SolutionsПубликация, 2009 г.
6. С. Ричардсон, М. Спенс и Дж. Хорн, «Engineered ZeCor»Оборудование для обслуживания серной кислоты », Конвенция Айше,Флорида, США, июнь 2007 г.
7. Р. Фрэнсис и Дж. Бирн, «Опыт супердуплекса.Нержавеющая сталь в морской воде »Мир нержавеющей стали, Том 16,Июнь 2004 г., KCI, стр. 53.® Зарегистрированные торговые марки

Статья из МИРА НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ.